Едмунд Галлей: відкриття і біографія знаменитого астронома
Видатний англійський астроном і геофізик Едмунд Галлей народився 29 жовтня (8 листопада) 1656 року в невеликому селі Хаггерстон (нині околиця Лондона) в сім’ї заможного миловара. Вже в школі Галлей проявив неабиякі здібності до наук, широту інтересів, енергію і наполегливість у вирішенні поставлених завдань. Ці риси зробили Галлея згодом найяскравішим представником своєї епохи в природознавстві.
У XVII столітті під впливом ідей Ф. Бекона, Р. Декарта, відкриттів Галілея людина, нарешті, відчула себе справжнім і безпосереднім дослідником природи. «Нічого не приймати на віру»,— стало девізом створеного на початку 60-х років XVII століття Лондонського королівського товариства — першої в Європі національної природничо-наукової організації.
Нові прикладні завдання ставили перед наукою промисловість і міжнародна торгівля. Потреби останньої вимагали, зокрема, термінового вирішення важкої проблеми – визначення довготи на морі. Над цим завданням билися астрономи і механіки не тільки в XVII, а й на початку XVIII століття. Прагнення отримувати знання з першоджерела змушувало натуралістів пускатися в далекі і тривалі наукові експедиції. Величезна жага знань породила характерний для дослідників тієї епохи енциклопедизм.
У 17 років Галлей вступив до Оксфордського університету, де вивчав і математичні науки, і філологію.
Багато років по тому, спеціально вивчивши арабську мову, він переклав з арабської і видав праці давньогрецького математика Аполлонія Пергського. Блискучим гомерівським гекзаметром (на латині) написав Галлей захоплене посвячення автору геніальних «Начал» — Ньютону, чия праця готувалася побачити світ. Надзвичайно широко застосовував він і свої математичні пізнання. Так, Галлей першим в Англії використовував в цивільній статистиці теорію ймовірностей. Він склав таблиці страхування життя (на основі ймовірнісних оцінок смертності в країні від різних причин). Але головними для Галлея з ранніх років були астрономія та геофізика.
У XVII столітті наука про небо не поділялася на відокремлені один від одного — по об’єктах і методах — області. Нерідко астроном поєднував в собі і спостерігача всіх доступних йому небесних об’єктів, і теоретика, і конструктора інструментів. В кінці XVII століття особливо актуальними були детальні дослідження руху планет, закони якого відкрив в 1609-1619 роках І. Кеплер. Вирішуваним завданням стало подальше уточнення планетних і місячних таблиць (останнє мало велике практичне значення для визначення довготи на морі). Разом з тим виявилися розбіжності між дійсними положеннями наприклад, Сонця і Місяця в давнину (в зафіксовані історично моменти затемнень) і обчисленими на основі законів Кеплера. В результаті був відкритий ряд «нерівностей» – реальних відхилень від законів Кеплера в русі Місяця і планет, так званих збурень, викликаних складними взаємодіями тіл Сонячної системи між собою.
З’явилися нові перспективи вирішення фундаментального питання про фізичну причину руху планет – тепер вже на основі законів Кеплера. Адже ці закони були встановлені лише як емпіричні правила. Правда, сам Кеплер висловив думку, що причина криється в тяжінні Сонця, дію якого за простою аналогією він порівнював з дією магніту.
Захоплений цими проблемами, Галлей, ще будучи студентом, в 1676 році опублікував свою першу роботу про орбіти планет. Тоді ж, порівнявши старі і сучасні йому спостереження планет, він встановив, що середні орбітальні швидкості Юпітера і Сатурна поступово змінюються, і правильно приписав це взаємному збуренню планет.
(Довгоперіодичний характер виявленої нерівності був встановлений пізніше П. Лапласом.) До цих питань Галлей повернеться через 18 років. А поки його захоплювала інша задача: доповнити зоряні каталоги, складені лише при спостереженнях з північної півкулі, каталогом зірок Південного, здебільшого недоступного в Європі неба. З цією метою Галлей в тому ж 1676 році, залишивши університет, домігся дозволу Королівського товариства на свою першу далеку наукову експедицію – на Острів Святої Єлени в Південній Атлантиці. Тут у важких кліматичних умовах з весни 1677 року і до початку 1678 року він вів спостереження, користуючись інструментами, спеціально виготовленими для експедиції на кошти його батька. Галлей володів декількома телескопами, найбільший з них мав довжину труби близько 24 футів (більше 7 м) і був забезпечений двома мікрометрами; 5,5-футовим металевим секстантом з оптикою (тоді це було новинкою); 2-футовим квадрантом і маятниковим годинником.
Основним результатом Галлея в цій експедиції став його «Каталог південних зірок» (опублікований в 1679 році), що включив 341 зірку, координати яких вперше були визначені методом телескопічних спостережень. За цю роботу 22-річного дослідника обрали в члени Лондонського королівського товариства.
На острові Святої Єлени Галлею довелося спостерігати рідкісне явище – проходження в листопаді 1677 року Меркурія по диску Сонця. Це навело його на думку про новий, простий і, як очікувалося, незрівнянно більш точний спосіб визначення відстані від Землі до Сонця (астрономічної одиниці). При одночасному спостереженні з двох місць, що розрізняються по широті, внутрішня планета, якщо вона при своєму нижньому з’єднанні з Сонцем проектується на диск світила, перетне його по хорді нижче для «Північного» спостерігача і вище — для «Південного». Величина такого, паралактичного зміщення шляху планети на сонячному диску, тобто відстань між двома хордами, залежить не тільки від широтної відмінності пунктів спостереження, але і від віддаленості Землі від планети і від Сонця. Зокрема, зміщення хорд тим більше, чим ближче планета до Землі.
Визначивши це зміщення в частках діаметра сонячного диска (для чого досить виміряти різницю часів проходження планети по диску Сонця) і знаючи відстань між пунктами спостережень на Землі, можна шляхом нескладних геометричних побудов знайти істинний діаметр сонячного диска в лінійній мірі. Далі по відомому кутовому діаметру Сонця обчислюють величину астрономічної одиниці.
Для реалізації свого способу Галлей запропонував використовувати ближчу до Землі, ніж Меркурій, планету Венеру. У 1716 році він опублікував розраховану ним програму спостережень для чергового проходження Венери по диску Сонця 6 червня 1761 року (йому вже не судилося це побачити). Спосіб Галлея, який астрономи застосовували під час всіх наступних проходжень Венери по диску Сонця, дозволив до кінця XIX століття в 25 разів зменшити помилку у визначенні сонячного паралакса.
Несподіваним побічним наслідком цих спостережень стало … відкриття в 1761 році М. В. Ломоносовим атмосфери на Венері. Саме наявність атмосфери, а також деякі оптичні ефекти заважали точному фіксуванню моментів контактів планети з диском Сонця і не дозволили домогтися ще більшої точності у визначенні астрономічної одиниці, на яку розраховував Галлей.
Після повернення до Англії Галлей знову зайнявся питанням: чим фізично обумовлений закономірний рух планет. У 1684 році, ще не знаючи про відкриття Ньютона, він встановив, що третій закон Кеплера відповідає руху планет під дією сили тяжіння Сонця, якщо ця сила обернено пропорційна квадрату відстані до планети. Але при спробі вирішити загальну проблему, який набір орбіт визначає така сила тяжіння? – Галлей (як й інші його сучасники) зіткнувся з непереборними для себе математичними труднощами. Дізнавшись, що це завдання давно вирішене Ньютоном, який не збирався, однак, публікувати результати (і навіть загубив свої записи!), Галлей здійснив справжній науково-громадянський подвиг. Він домігся від вченого, чоловіка вельми замкнутого, відновлення, доопрацювання і опублікування досліджень, які і склали геніальну працю Ньютона «Математичні начала натуральної філософії» (інакше — фізики). Не домігшись від Королівського товариства відповідних коштів, Галлей прийняв на себе всі витрати з видання великої праці Ньютона.
Галлей та Ньютон.
У 1693 році Галлей відкрив нову нерівність в русі Місяця – зростання середньої швидкості. (Вперше, хоча і неповністю, вона було пояснена П. Лапласом і тепер відома як «вікове прискорення середнього руху Місяця».)
У 1698-1700 роках Галлей організував дві нові морські наукові експедиції в Атлантичний і Індійський океани до берегів Південної Америки і Південної Африки. Цього разу метою стали географічні, точніше геомагнітні дослідження. Галлей не тільки очолював ці експедиції, але і був капітаном невеликого човна, на якому відбувалися обидва плавання. Після повернення він опублікував в 1701 році складену за власними спостереженнями першу в світі детальну «Генеральну карту варіацій (схилень) компаса». Вона мала велике значення для навігації. До речі, Галлей сподівався, що за заздалегідь відомим змінам схилення компаса вдасться визначати і довготу на морі. Геомагнітні дослідження привели Галлея до оригінальної ідеї про природу земного магнетизму, з яким він пов’язував, зокрема, явище полярних сяйв.
Найбільш плідною для Галлея виявилася перша чверть XVIII століття. Розробивши на основі принципів Ньютона метод розрахунку параболічних орбіт комет, Галлей в 1705 році опублікував обчислені ним орбіти для 24 комет, помічених в різний час. Виявивши близькість один до одного орбіт декількох комет, що спостерігалися в XV—XVII століттях, в тому числі яскравої комети, яку він сам спостерігав в 1682 році, Галлей звернув увагу на кратність проміжків часу між появами цих комет періоду 75-76 років.
Звідси він зробив правильний висновок: це одна і та ж комета з періодом обертання навколо Сонця 75-76 років (зміни її він пояснював збуреннями від планет), і рухається вона не по параболі, а по еліпсу. Так була відкрита перша замкнута орбіта у комети і доведена приналежність цих дивовижних тіл Сонячній системі. І знову обчислення Галлея показали, що йому не судилося самому перевірити свої висновки: комета повинна була наблизитися до Сонця (і, отже, до Землі) лише в 1758 році! Її дійсно помітили в кінці цього року, а перигелій вона пройшла в березні 1759 року, як і розрахували, з урахуванням збурень орбіти, французькі математики Алексіс Клод Клеро і Гортензія Лепот. Ця комета, що спостерігалася потім в 1835, 1910, 1986 роках, увійшла в астрономію як «комета Галлея».
Ще більш значне, хоча і не відразу оцінене відкриття Галлей зробив у світі зірок. Щоб уточнити постійну прецесії, він порівняв координати зірок в сучасному йому каталозі з вимірами Арістілла і Тімохаріса (III століття до н.е.) і Гіппарха (II століття до н. е.), наведеними в «Альмагесті» Птолемея. Крім відомих систематичних зсувів всіх зірок по довготі (за рахунок прецесії) він простежив і систематичні зміщення зірок по широті, викликані також відомою вже зміною способу екватора до екліптики. При цьому Галлей несподівано відкрив, що зміни широт у трьох яскравих зірок порушують загальний порядок! Галлей писав в 1718 році: «проте три зірки: Палілісіум, або око Тельця (Альдебаран, а не Проціон, як іноді помилково пишуть), Сіріус і Арктур прямо суперечили цьому правилу». Причому широти цих зірок змінилися «проти правила» на десятки хвилин!
Порівнявши для контролю положення цих зірок за вимірами європейців в IV і VI століттях, Галлей зробив остаточний висновок про існування реальних переміщень «нерухомих» зірок. Визнання це відкриття отримало тільки в 70-і роки XVIII століття, коли Т. Майер і Н. Маскелайн виміряли власні рухи у десятків зірок.
Галлей першим привернув увагу астрономів свого часу до туманностей як самосвітних космічних об’єктів. У спеціальній статті (1715 р.), оскаржуючи думку деяких вчених, що ніби самосвітними можуть бути лише «Сонця», Галлей описав шість таких туманностей. Вони були відкриті (або перевідкриті), починаючи з другої половини XVII століття, різними спостерігачами в різних сузір’ях: в Мечі Оріона, в поясі Андромеди, в Стрільці, Центаврі (відзначена ще Птолемеєм і перевідкрита в 1677 році Галлеєм), в Антіне (частина сузір’я Орла) і в Геркулесі (відкрита в 1714 році Галлеєм). Галлей зробив висновок, що таких об’єктів у Всесвіті, «без сумніву», багато більше і, оскільки вони не мають річних паралаксів (тобто дуже далекі від нас), «вони не можуть не займати величезних просторів». Розмір туманних плям, писав Галлей «бути може, не менше, ніж вся наша Сонячна система», і тому вони дають натуралістам, особливо астрономам, багатий матеріал для роздумів.
Нарешті, слід нагадати, що Галлей стояв біля витоків метеорної астрономії і майбутньої метеоритики. У статті 1714 року він висловив першу науково обґрунтовану гіпотезу про космічну природу болідів («вогненних метеорів», «вогненних куль», як їх тоді називали). З часів Аристотеля (IV століття до н. е.) і до XVIII століття їх вважали займистими в земній атмосфері горючими випарами Землі. Галлей зібрав і проаналізував відомості про три потужних боліди. Кожен з них спостерігався одночасно на великій території: два (в 1676 і 1708 роках) в Англії і один (в 1676 році) в Італії і навіть сусідніх з нею країнах. Це дозволило визначити несподівано великі і подібні висоти явища (70-80 км) і величезні за земними мірками швидкості руху «вогненних метеорів» (кілька кілометрів в секунду). Звідси Галлей зробив висновок, що «вогняні метеори» швидше результат зустрічі Землі з випадковими згущеннями космічної міжпланетної матерії.
Останнім великим науковим підприємством Галлея був 18-річний цикл спостережень Місяця (повний період обертання вузлів місячної орбіти). Ці спостереження він почав у віці 63 років. Складені ним нові місячні і планетні таблиці хоча і були опубліковані з запізненням, в 1752 році, але все ж залишалися деякий час зразковими для спостерігачів і обчислювачів.
Галлей отримав визнання за життя. З 1703 року він очолював кафедру Оксфордського університету, в 1713 році був обраний вченим секретарем Лондонського королівського товариства. У 1720 році він зайняв пост директора найбільшої тоді в світі Гринвічської обсерваторії, змінивши Дж. Флемстіда (1646-1719) — першого Королівського астронома — і також отримавши це звання. Галлей заново обладнав обсерваторію інструментами, в тому числі великим стінним квадрантом, вперше забезпеченим досить великим телескопом з трубою довжиною 8 футів (близько 25 м).
Помер Едмунд Галлей 14 (24) січня 1742 року. Ім’ям його названі кратери на Місяці і на Марсі.
Автор: А. І. Єремєєва, кандидат фізико-математичних наук.